Erdbeobachtungssatelliten spielen eine zentrale Rolle bei der Wettervorhersage, der Klimaforschung, der Vermessung der Erdoberfläche oder auch bei der Detektion von Waldbränden. Dabei fallen sehr große Datenmengen an, die per Laser schneller vom Satelliten zum Boden übertragen werden können.
Heutige Funksysteme stoßen an ihre Grenzen. Optische Übertragungsverfahren bieten im Vergleich dazu die Möglichkeit, Daten mit einer wesentlich höheren Rate zu übertragen. Mit dem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelten Laserkommunikations-Terminal OSIRIS, das auf dem Kleinsatelliten Flying Laptop der Universität Stuttgart fliegt, konnten erste Übertragungstests durchgeführt werden.
Laserterminal OSIRIS
Das optische Kommunikationssystem OSIRIS (Optical Space Infrared Downlink System) ist mit nur 1,3 kg Masse äußerst kompakt und sehr effizient in der Leistung. Im Rahmen von Experimenten, die seit Sommer 2018 laufen, konnten nun erfolgreiche Übertragungstests zu den optischen Bodenstationen des DLR in Oberpfaffenhofen durchgeführt werden. Diese Ergebnisse konnten in einer Messkampagne im März 2019 bestätigt werden. Dabei konnte der Laserstrahl des Kleinsatelliten Flying Laptop aus mehreren 100 Kilometern Entfernung am Boden empfangen werden. Die hochpräzise Ausrichtung von Satellit und Bodenstation zueinander ist dabei die besondere Herausforderung und konnte nun erstmals demonstriert werden.
„In der Übertragung von Satellitendaten per Laser liegt die Zukunft“, ist Dr. Florian David, stellvertretender Direktor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation überzeugt. „Die Leistungsfähigkeit der optischen Kommunikation ermöglicht es beispielsweise in Katastrophenfällen, viel größere Datenmengen für Rettungskräfte am Boden nutzbar zu machen. Die optische Kommunikation bildet deshalb einen besonderen Schwerpunkt unserer Forschung“. Im Programm OSIRIS entwickelt das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation in Oberpfaffenhofen dazu optische Kommunikationssysteme, die speziell für den direkten Downlink von Kleinsatelliten geeignet sind.
Flying Laptop: Hohe Präzision nötig
Der Kleinsatellit „Flying Laptop“ der Universität Stuttgart erprobt neue Technologien und erfüllt wissenschaftliche Erdbeobachtungsaufgaben. So ist er neben zahlreichen Experimenten auch mit einer hochauflösenden Kamera ausgerüstet. Der Satellit wurde am Institut für Raumfahrtsysteme von Studierenden und Promovierenden im Rahmen des Kleinsatellitenprogramms entwickelt, gebaut und im Jahr 2017 von Baikonur aus gestartet. Das Programm wurde von Professor Hans-Peter Röser initiiert und von Experten aus der Raumfahrtforschung und -industrie unterstützt. Der Betrieb des Satelliten und die wissenschaftliche Auswertung der Daten wird durch eine Förderung des Ministeriums für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg unterstützt.
„Die Datenübertragung mit Laser bietet große Vorteile bezüglich der erreichbaren Datenraten, stellt aber gleichzeitig eine große Herausforderung an die Ausrichtegenauigkeit des Satelliten zur Bodenstation dar. Daher demonstrieren die erfolgreichen Übertragungstests mit OSIRIS die hohe Präzision des Lageregelungssystems und die hervorragende Performance unseres Satelliten“ sagt Professorin Sabine Klinkner, Projektleiterin an der Universität Stuttgart.
Nach den ersten erfolgreichen Übertragungstests wollen die Forscherteams in Stuttgart und Oberpfaffenhofen nun gemeinsam noch zahlreiche weiterführende Experimente mit OSIRIS auf dem Flying Laptop durchführen. Dazu gehören insbesondere der Empfang von Missionsdaten sowie die Vermessung des Übertragungskanals – dies soll wichtige Beiträge zur internationalen Standardisierung der Technologie liefern und für zukünftige Missionen die Entwicklung noch robusterer Übertragungsverfahren ermöglichen. Ab dem Frühjahr 2019 werden die Experimente in Oberpfaffenhofen weitergeführt.
Laserkommunikation trans-All auf den Bildern
Flying Laptop: Kleinsatellit Flying Laptop der Universität Stuttgart mit Erdbeobachtungskamera und OSIRIS; OSIRISselbst: Das optische Kommunikationssystem OSIRIS eingebaut in den Satellit Flying Laptop; Bodenstationen: Die beiden optischen Bodenstationen des DLR in Oberpfaffenhofen, die in den Experimenten mit Flying Laptop eingesetzt wurden.
